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  • 进口旋转球阀式泵保护阀设计与计算-德国莱克LIK品牌
    发布日期:2017-1-31


    摘 要:介绍了一种旁路由旋转球阀和多级节流孔板组成的新型泵保护阀的设计与计算,该泵在旁路为极小流量时可有效替代常规高压泵保护阀中的多级节流串结构。在实际工程中的应用证明,能有效地保证泵在最小流量时正常运转。

    关键字:泵保护阀 旋转球阀 节流孔板


    泵保护阀安装于离心泵出口,当泵在低负荷工作时,旁通阀打开以保证流过泵的最小需求流量,提高泵的效率,减少泵的故障。泵保护阀具有流量感知、止回、旁通控制和多级降压等功能,调节平缓,减少了突然降压带来的汽蚀,减少了泄漏,能经济有效地保证离心泵系统的正常工作,如图1所示。

    图1 泵保护阀系统

    常规高压泵保护阀旁路通常为带有多级减压机构的节流串,见图2。当主路关闭,旁路打开时,控制器盖和涡旋塞、涡旋衬套形成一个高压区,而活塞和涡旋塞形成一部分低压区,减压衬套因左右受力不平衡,拉动锁紧螺母和涡旋塞向左运动,旁路打开,涡旋衬套和涡旋塞形成逐级减压环面积,将介质压力降低。当主路打开时,止回阀带动转轴向上抬起,转轴推动活塞、减压衬套向右运动,锁紧螺母和涡旋塞不再受减压衬套的拉动,在介质力作用下向右动作,直到最终关闭旁路出口。旁路涡旋塞受结构及密封圈的限制,行程变化很小,节流环面积变化很大,这样的结构在小流量旁路压差很大的情况下很难调节,会出现震颤、噪声等情况;另外,常规的多级减压节流串需要有一定的推力来克服密封圈及部件间的摩擦力才能使旁路打开。因此,在流量小、活塞运动行程很短的情况下,常常发生旁路打不开或减压不足造成汽蚀的情况,影响系统的正常工作。

    图2 多级节流串式保护阀旁路结构示意

    1—转轴;2—活塞;3—锁紧螺母;4—减压衬套;5—控制器盖;

    6—涡旋衬套;7—涡旋塞

    1 多级孔板减压式泵保护阀设计

    本文所研究的孔板式泵保护阀旁路由旋转球阀和多级节流孔板组成,解决了节流串对流量的限制,保证泵在最小流量时可正常运转,实现泵的有效保护。这样的结构和常规的多级减压节流串一样具有能止回、敏感工艺流量、防止介质倒流、多级减压、有效防止“水锤”、汽蚀等特点。

    多级孔板减压式泵保护阀结构见图3。当泵启动时,泵保护阀下游流量控制阀关闭,主路止回阀在弹簧压力及止回阀自重的作用下,处于关闭状态,阀杆伸入的旋转球阀处于全开位置,保证泵的最小回流。当主路下游流量控制阀逐渐打开,主路流量增加时,止回阀在介质力作用下,克服弹簧力和止回阀自重而逐渐打开,旋转球阀旋转,过流孔逐渐被阀头遮挡使再循环流量逐渐减少。当泵正常工作时,主路液压将止回阀完全打开,旋转球阀完全被阀头关闭,再循环系统完全被切断。当工况改变或异常时,随着主路液体压力的变化,止回阀处于不同的位置,也就调节了旋转球阀处于不同的位置,使之满足离心泵的最小流量。当泵停止运行时,主路止回阀所受压力下降,在弹簧力及自重作用下关闭,旁路旋转球阀开度逐渐增加,直到全开,旁通流量满足泵的最小流量,同时多级孔板多级降压将介质压力减到背压。

    其中旋转球阀是泵保护阀技术中主路和旁路切换的关键设备,旋转球阀通过旋转实现介质主路与旁路之间的切换。旋转球阀孔板为偏心设计。止回阀开启时,阀杆带动旋转球阀顺时针旋转,旋转球阀出口被阀头遮挡住,阻止了液体进入旁路。主路止回阀逐渐关闭,阀杆带动旋转球阀逆时针旋转,当旋转球阀出口正对阀头孔板时,打开旁路出口。此时介质通过旋转球阀实现从主路向旁路转换。旁路关闭时旋转球阀位置局部示意见图4,旁路全开的位置示意见图5,旋转球阀的旋转角度由最小流量时止回阀的开高确定;旋转球阀孔板孔径的大小和个数可以根据流量的大小设定,没有最小流量的限制;旋转球阀运动过程中只有阀杆和旋转球阀联动的部件,因此运动所受的摩擦力也很小。

    图3 多级孔板式泵保护阀结构示意

    1—阀体;2—阀盖;3—导杆螺套;4—弹簧;5—止回阀;

    6—旁路阀体;7—导杆;8—旋转球阀;9—阀头;10—孔板

    图4 旋转球阀关闭位置

    图5 旋转球阀打开位置

    2 多级孔板减压式泵保护阀设计

    2.1 止回阀开高设计

    在泵保护阀的静态特性计算中,略去止回阀和导杆螺套、阀杆的摩擦阻力,止回阀的受力F方程式为:

    F=Fs-G-F1=ΔPS-G-F1

    式中:Fs为止回阀前后压差引起的不平衡力,N;ΔP为止回阀上下面压差;S为止回阀不平衡力面积,m2;F1为弹簧力;G为止回阀重力,N。其中止回阀开高H由帘面积和主路压降ΔP确定,见图6。

    图6 升力计算示意

    帘面积:SL=π×L×(R+r)

    其中,R=r+L×cosα;L=H×sinα

    式中,H为止回阀开高。

    其中,ΔP为主路压降,MPa;ρ为密度,kg/m3;ξ为1.7。

    令S=SL,解出开高H。

    2。2 孔板设计

    泵保护阀旁路实现回流减压,使介质从泵出口高压降到泵入口压力,保护工艺设备。本文旁路减压是通过多级节流孔板来实现的,而在设计孔板过程中孔板的级数、大小以及孔板的厚度是关键。

    在孔板节流处的压力P0降到对应温度下的饱和蒸汽压力Ps0以下,流体中将会有蒸汽以气体的形式逸出,即产生空化现象。空化是发生在液体内部的汽化现象,是在温度一定的情况下由于压力的降低而引起的液体汽化现象。多级孔板的设计考虑了空化,要求在孔板节流处的压力P0>Ps0,换言之,孔板前后压差不能过大以防止气蚀对阀体部件的破坏,减少噪音的产生。随着孔板前后压差ΔP的增加,在节流点刚好发生空化现象,这时流速不再随ΔP增加而增加,称此时ΔP为阻塞压差,记作ΔPS。

    ΔPS=0.81×(P1-Ff×P2)

    其中:

    式中:P1,P2为孔板进出口压力,MPa;Pc为水的热力学临界压力,取22。5MPa;FL为液体压力恢复系数,取0。9;Ff为临界压力比系数。

    由此可知,当压差要求较大时,采用一级节流是不可能的,这时就需要采用多级节流孔板,一般认为第一级孔板的设计压差应小于阻塞压差,其压差的大小取决于第二级孔板,多级孔板的压降按几何级数递减。

    ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3…ΔPn

    其中:

    ΔP1=2ΔP2=4ΔP3…=2n-1ΔPn

    孔板孔径的计算:

    式中:dk为节流孔板孔径,mm;G为通过孔板的流量,t/h;ρ为水的密度,kg/m3;Δp为孔板前后压差,MPa。

    孔板的厚度计算:

    式中:p为设计压力,MPa;[δ]t为钢材设计温度下的许用应力,MPa;sc为孔板厚度,mm。

    2.3 流场数值模拟

    此计算中实体造型采用SOLIDWORKS,采用的计算软件为Fluent,采用层流和紊流模型,不可压缩,定常流,不考虑重力,内部流,墙为绝热墙,忽略表面粗糙度的影响。网格由Fluent网格生成器自动生成。图7和图8为最大流量即主路全开时,主路的压力和速度分布;图9和图10为最小流量即旁路全开时,旁路的压力和速度分布。Fluent能较好模拟阀门内部流动状态,计算的结果与实验结果能较好地吻合。

    2。4 实验验证

    本文所研究的新型泵保护阀在工程实际中已经得到应用,某化肥项目锅炉给水泵的最大流量为10m3/h,最小流量为2m3/h,关闭压力4.86MPa,最小流量时的压力4.808MPa,旁路背压0.5m3/h。图11为某项目交付的产品出厂前的实验曲线,由图可见,在泵刚刚启动时,主路流量为0,随着主路流量逐渐增加,旁路流量由2.5m3/h逐渐减小直到为0,在主路流量为4.4m3/h的时候实现了切换,能保证泵的最小流量为2m3/h;随着主路流量的增加,主路压降不断降低,各项性能均能满足需求。

    图7 主路全开时主路压力云图

    图8 主路全开时主路速度云图

    图9 旁路全开时主路压力云图

    图10 旁路全开时主路速度云图

    图11 实验曲线

    3 多级孔板式优势

    对旋转球阀与多级减压节流孔板结构进行了一定的改进和创新,具体措施如下。

    (1)采用旋转球阀设计实现介质主路与旁路之间的切换。旋转球阀运动过程中只有阀杆和旋转球阀联动的部件运动,其所受摩擦力非常小,保证了主路和旁路的顺利切换。

    (2)采用全金属密封,适用高温、低温介质,拓宽了泵保护阀应用范围。而常规结构的设计需要用GLYD圈、O形圈等非金属材料密封,对温度和介质有一定的限制,在温度超过200℃或低于-60℃时就很难选到非金属密封圈。

    (3)采用了多级节流孔板实现旁路减压,根据设计流量对所需的孔板级数、大小以及厚度进行了详细计算,满足了“小流量、大压差”的设计要求。

    4 结语

    本文详细介绍了新型泵保护阀应用的设计与计算,对新型泵保护阀应用的设计提供了理论依据。多级孔板式泵保护阀是今后泵保护阀发展的重要方向之一,被广泛应用于电厂、核电以及石油与液化气领域,具有良好市场前景。

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